Проектирование нагревательной печи

Реферат

Записка к курсовой работе содержит:   52 страницы, 3 рисунка.

Объект исследования: план отделения методических печей Рельсобалочный СТАН-900.

Цель работы: спроектировать план отделения методических печей СТАН-900 и выбрать необходимое основное и вспомогательное оборудование, рассчитать и скомпоновать печи в цехе.

В данной работе был выполнен расчет нагрева металла в методической четырехзонной печи; выбор и расчет горения топлива, режима нагрева и горелочных устройств; также рассчитан тепловой баланс печи, рекуператор, дымовой тракт и дымовая труба; спроектировано отделение методических печей в цехе.

 

МЕТОДИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ, НАГРЕВ, РЕКУПЕРАТОР, БЛЮМ, ТЕПЛОВОЙ БАЛЛАНС, ГОРЕЛКА, ФУТЕРОВКА, ДЫМОВОЙ ТРАКТ, ДЫМОВАЯ ТРУБА.

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение                                                                                                                 4

1. Проектирование теплового агрегата                                                      5

2. Выбор режима нагрева металла                                                             7

3. Расчет горения топлива                                                                           9

4. Расчет параметров внешнего теплообмена                                          14

5. Расчет нагрева металла                                                                          19

6. Тепловой баланс                                                                                     28

7. Выбор и расчет топливосжигающих устройств                                   40

8. Выбор и расчет рекуператора                                                              41

9. Выбор схемы и расчет дымового тракта                                                  47

10. Расчет количества агрегатов и их компоновка в отделении                51

Перечень ссылок                                                                                              52

 

Введение

 

  Нагревательные толкательные печи характеризуются противоточным движением нагреваемого металла и продуктов сгорания, а так же наличием в начале печи (со стороны посада металла) развитой не отапливаемой методической зоны, вследствие чего их часто называют методическими печами.

Методические печи по числу зон нагрева могут быть двух-, трёх - и многозонными с односторонним и двусторонним нагревом металла. При трёхзонном режиме нагрева имеются три теплотехнические зоны, по ходу металла: методическая, в которой повышается температура, сварочная с высокой постоянной температурой и томильная с постоянной температурой, близкой к заданной конечной температуре поверхности металла. Металл толщиной до 100 мм нагревают с одной стороны в печах без нижнего нагрева, а толщиной больше 100 мм - с двух сторон (с нижним нагревом).

Большое значение для работы методических печей имеет способ выдачи металла из печи. Различают торцевую и боковую выдачу металла. При торцевой выдаче необходим толкатель, который и выполняет роль выталкивателя.

Конструкцию методических печей выбирают в зависимости от типа стана и вида топлива. Тип стана определяет производительность печей толщину применяемой заготовки, температуру нагрева металла и его сортамент. От вида используемого топлива зависит конструкция горелочных устройств и применение рекуператоров.

 

Расчет горения топлива

Вид топлива: коксодоменная смесь.

Составы сухого газа

Название	Коксовый газ	Доменный газ
Состав, %

 

Окислитель: воздух (21% О₂; 79% N₂);

Влагосодержание воздуха d _в =10 г/м³;     

Коэффициент расхода воздуха α=1,05;

Влагосодержание топлива:

коксового газа   г/м³,

доменного газа  г/м³.

Температура подогрева воздуха t_в=400°С;

Пирометрический коэффициент η_пир=0,75;

Теплота сгорания смеси   Мдж/м³

3.1.Рассчитаем состав влажного газообразного топлива:

                                                                         (3.1)       

Коксовый газ, %                                 Доменный газ, %      

                               
3.2. Рассчитаем теплоту сгорания  коксового и доменного газа, МДж/м³:

= 0,01(12,640 СО + 10,800 Н₂ + 35,820 СН₄ + 59,100 С₂Н₄ + 63,750 С₂Н₆ + 91,260 С₃Н₈ +

+ 118,700 С₄Н₁₀  + 146,100 С₅Н₁₂ + 23,700 Н₂S)                                                                       (3.2)

 

3.3. Определим долю каждого газа в смеси:

                                                                                                            (3.3)                                                                                                     

                                                                                                                   (3.4)

 - доля коксового газа в смеси;

(1-0,4)=0,6 – доля доменного газа в смеси.

 

3.4. Определим состав смеси, %

                                                                ,                                        (3.5)

где Х_к.г - компонент коксового газа в %;

    Х_д.г - аналогичный компонент доменного газа в %.

 

 

 

 

 

Для проверки пересчитаем теплоту сгорания смеси:

3.5. Определим объёмный теоретический  и действительный  расход сухого воздуха, необходимого для сжигания 1м³ газообразного топлива:

                      (3.6)

                                                  ,                                                         (3.7)

.

 

 

3.6 Рассчитаем действительный расход влажного воздуха:

                                                                                       (3.8)

 

3.7.Рассчитаем выход дымовых газов:

                                                                              (3.9)                                                                            

                                         (3.10)

                    (3.11)

                                                                               (3.12)

                                                                       (3.13)

                                        (3.14)

3.8. Состав дымовых газов, %:

 

                                                                      (3.15)

                                           

 

3.9. Рассчитаем калориметрическую температуру горения

Энтальпия продуктов сгорания:

,                                                                            ( 3.16 )

где   h _в - энтальпия воздуха, кДж/м³

V _д.г -  выход дымовых газов, м³/м³;

Зададим , тогда энтальпия продуктов горения равна

 

Зададим , тогда

Калориметрическая температура горения:

                                                                          (3.17)

 

3.10. Действительная температура горения:

                                                                                               (3.18)

Действительная температура горения больше максимальной температуры в печи, значит она сможет обеспечить необходимую температуру в печи.

Расчет нагрева металла  

Методика расчета приведена в [1] и включает в себя следующие пункты:

- принимаем удельное время нагрева z;

- находим общее время нагрева слябов в печи τ_общ и время нагрева слябов в каждой зоне τ_зон, которое рассчитывается по отношению длины зоны к общей длине печи;

- для каждой зоны принимаем температуру поверхности сляба;

- находим критерий F₀ и Bi, с помощью которых определяем θ, а затем расчетную температуру поверхности сляба;

- сравниваем расчетную и принимаемую температуру, разница между ними не должна быть больше 20 ^оС, если разница выше изменяем температуру печи или предполагаемую температуру поверхности металла;

- аналогично рассчитываем температуру центра.

 

Общее продолжительность нагрева (приS=320мм):

                                                        (5.1)

Относительные длины зон:

методическая зона – 22%;

1-я сварочная – 24%;

2-я сварочная – 30%;

томильная зона – 24%.

Исходя из относительных размеров зон, продолжительность нагрева на расчетных участках составит:

участок I:  

участок II:  

участок III:  

участок IV:  

I расчетный участок.

Расчетная схема нагрева металла – двухсторонний нагрев при линейном изменении температуры окружающей среды и равномерном начальном распределении температур.

Задаемся конечной температурой поверхности металла на первом участке t_м.пов1=520°С.

Число Фурье

                                                         (5.3)

Коэффициент теплоотдачи излучением:

                                                   (5.4)

в начале участка

                            

в конце участка

                                 

средний

                     

Число Био

                                                            (5.5)

Функции для вычисления температуры поверхности металла определяем при    F_o1=1,14 и Bi₁=0,71 по номограммам – [1]:

Конечная температура поверхности металла:

                           

что не совпадает с предварительно заданной. 

 

I расчетный участок.

Задаемся конечной температурой поверхности металла на первом участке t_м.пов1=600°С.

Число Фурье

                                                            

Коэффициент теплоотдачи излучением:

                                                       

в начале участка

                            

в конце участка

                                 

средний

                      

Число Био

                                                               

Функции для вычисления температуры поверхности металла определяем при    F_o1=1,11 и Bi₁=0,76 по номограммам – [1]:

Конечная температура поверхности металла:

                              

что практически совпадает с предварительно заданной.

Функции для вычисления температуры середины металла определяем при F₀₁=1,11 и Bi₁=0,76 [1]:

Конечная температура середины металла:

.

 

Определим допустимую разницу температур для центра и поверхности

,

где к - коэффициент, учитывающий форму тела: пластина к =1,05;

σ _max - максимально допустимое напряжение (предел прочности или временное сопротивление разрыву): для ст.65Г σ _max= 441,3МН/м²;

β - коэффициент линейного расширения, который выбирается по справочным данным для различных марок стали: для ст.65Г β =14,1∙10^-6 1/⁰С;

Е - модуль упругости, который выбирается по справочным данным: для ст.65Г Е =170·10⁹ Н/м².

Разница температур удовлетворяет допустимому значению.

II расчетный участок.

Расчетная схема нагрева металла – двухсторонний нагрев при постоянной температуре окружающей среды и параболическом начальном распределении температур.

Задаемся конечной температурой поверхности металла на втором участке t_м.пов2=1000°С и продолжительностью нагрева τ₂=1,104ч.

Число Фурье

                                                                  

Коэффициент теплоотдачи излучением:

                                                           

в начале участка

                               

в конце участка

                               

средний

                  

Число Био

                                                      

Функции для вычисления температуры поверхности металла определяем при F_o2=1,05 и Bi₂=2,2 по номограммам -

Конечная температура поверхности металла:

                       

что практически совпадает с предварительно заданной температурой.

Функции для вычисления температуры середины металла определяем при F₀₃=1,05 и Bi₃=2,2 -

Конечная температура середины металла:

.

IV расчетный участок.

Расчетная схема нагрева металла – односторонний нагрев при постоянной температуре окружающей среды и параболическом начальном распределении температур.

Задаемся конечной температурой поверхности металла на первом участке

t_м.пов4= t_м.ср.4=1180°С и продолжительностью нагрева τ₄ = 1,104ч.

При средней температуре поверхности металла определяем коэффициент теплопроводности металла λ₄=33,8 Вт/м·К и коэффициент температуропроводности металла а₄ =0,02 м²/ч.

Число Био

                                             

Функции для вычисления температуры поверхности металла определяем при F_o4=0,2 и Bi₄=3,96 по номограммам -

Конечная температура поверхности металла:

                                                               

, что практически совпадает с предварительно заданной.

Функции для вычисления температуры середины металла определяем при F₀₄=0,2 и Bi₄=3,96-

Конечная температура середины металла:

.

Следует также проверить температуру нижней поверхности металла, которая после одностороннего нагрева может оказаться ниже температуры середины металла.

Функции для вычисления температуры нижней поверхности металла определяем при F₀₄=0,2 и Bi₄=3,96 -

Конечная температура нижней поверхности металла:

Следовательно, самая низкая температура в середине металла и максимальный конечный перепад температур в металле:

                                                       

 

Тепловой баланс

I. Приход тепла

1. Химическое тепло топлива:

                                                                   (6.1)

2. Физическое тепло воздуха:

            (6.2)

где С_в=1,329 при t_в=400⁰С,

3.Тепло экзотермической реакции окисления железа:

                                      (6.3)

Р = 46,3 т/ч

II. Расход тепла

4. Тепло, затраченное на нагрев металла:

                                                         (6.4)

где средняя теплоемкость металла при t_м.ср4=1171 ⁰С

     средняя теплоемкость металла при t_н=20 ⁰С

5. Тепло, уносимое уходящими продуктами сгорания

                                                                  (6.5)

6. Потери тепла теплопроводностью через кладку

На первом расчетном участке

 

Потери через верхнюю часть боковых стен. Кладка верхней части боковых стен: шамот кл.А δ=230мм, шамот кл.Б δ=230мм и плиты МКРП δ=50мм. Задаемся температурой наружной поверхности кладки - t_нар1=100 ⁰С. Температура в месте соприкосновения слоев шамота кл.А и шамота кл.Б t_ш-ш=720⁰С, в месте соприкосновения слоев шамота кл.Б и плит МКРП t_ш-пл=450 ⁰С.

Средняя температура шамота кл.А:

t _ш1 =0,5(1020+720)=870 ⁰С,                                                              (6.6)

Коэффициент теплопроводности:

λ_ш1=0,88+0,00023·870=1,08 Вт/мК,                                           (6.7)

Средняя температура шамота кл.Б:

t _ш2 =0,5(720+450)=585 ⁰С,                                                              (6.8)

Коэффициент теплопроводности:

λ_ш2=0,84+0,00058·585=1,18 Вт/мК,                                            (6.9)

Средняя температура между слоями шамота кл.Б и плитами МКРП:

t _ш2-пл =0,5(450+100)=275⁰С,                                                    

Коэффициент теплопроводности:

λ_ш2-пл=0,14 Вт/мК,

Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кладки в окружающую среду:

α_нар1=7+0,05·t_нар1=7+0,05·100=12 Вт/м²К.                                              (6.10)

Удельный тепловой поток через кладку верхней части боковой стенки:

     (6.11)

Проверяем температуру на границе слоев шамота кл.А и шамота кл.Б:

,                                                             (6.12)

Проверяем температуру на границе слоев шамота кл.Б и плит МКРП:

,                                                              (6.13)

Проверяем температуру наружной поверхности кладки:

.    

 

Выбор и расчет рекуператора

Принимаем для подогрева воздуха горения стандартные секции металлического трубчатого петлевого рекуператора и перекрестно – противоточное движение воздуха и продуктов сгорания.

Исходные данные для расчета:

Количество подогреваемого воздуха:

                        ;                 (8.1)

Начальная температура воздуха: ;

Температура подогрева воздуха: ;

Количество продуктов сгорания:

                           ;                    (8.2)

Начальная температура продуктов сгорания: ;

Принимаем коэффициент полезного действия

Предварительно принимаем температуру продуктов сгорания на выходе из рекуператора .

Рассчитаем величину m:

Где средняя теплоемкость воздуха = 1,3289  при температуре воздуха , а среднюю теплоемкость продуктов сгорания определяем по составу продуктов сгорания:

На входе в рекуператор при  и

, (8.3)

На выходе из рекуператора при  и

.

По приведенной в приложении методике расчета средней теплоемкости для интервала температур:

 

                .        (8.4)

Относительная температура подогрева воздуха:

                                        .                                 (8.5)

Относительная поверхность нагрева рекуператора: .

Температура продуктов сгорания на выходе из рекуператора:

                                     ,                             (8.6)

Что близко к предварительно принятой.

Температура стенки труб рекуператора:

На входе продуктов сгорания:

, принимаем .

На выходе продуктов сгорания:

, принимаем .

Задаемся скоростями, приведенными к 0ºС воздуха , продуктов сгорания .

Действительные скорости:

Воздуха на входе:

                                     .                          (8.7)

Воздуха на выходе:

.

Продуктов сгорания на входе:

.

Продуктов сгорания на выходе:

.

Критерий Рейнольдса: .

Для воздуха на входе в рекуператор:

                                     .                              (8.8)

Для воздуха на выходе в рекуператор:

.

Здесь - внутренний диаметр труб рекуператора.

Следовательно, режим движения воздуха турбулентный.

Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией от стенки труб к воздуху по формуле:

                           (8.9)

 на входе в рекуператор - ;

 на выходе из рекуператора - .

Коэффициент теплоотдачи конвекцией к воздуху, отнесенный к наружной поверхности труб:

На входе:

.

На выходе:

.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к трубам рекуператора определяем рис 2.4 и содержании H ₂ O =18,2% на входе продуктов сгорания , на выходе - .

Далее рассчитываем коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания к трубам рекуператора.

Эффективная длина пути луча:

                                        .                               (8.10)

По горению топлива в продуктах сгорания при  - .

Степень черноты газов:

- на входе в рекуператор при t’_д=820 ⁰С

- на выходе из рекуператора при t’’_д=668 ⁰С

Степень черноты продуктов сгорания:

- на входе в рекуператор

                                               (8.11)

- на выходе из рекуператора

Эффективная степень черноты стенки труб рекуператора:

,                                                                  (8.12)

Коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к трубам рекуператора:

- на входе

                                           (8.13)

Вт/м²К

- на выходе

 Вт/м²К

Суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к трубам рекуператора:

                                                                                   (8.14)

- на входе α’ _д=60,3+28,4=88,7 Вт/м²К,

- на выходе α’’ _д=51+15,8=66,8 Вт/м²К.

Коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к воздуху:

На входе продуктов сгорания:

На выходе продуктов сгорания:

Средний по рекуператору коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к воздуху:

Поверхность нагрева рекуператора:

 

Выбираем секцию СР-250 с поверхностью теплообмена   и устанавливаем 4 секции по ходу продуктов сгорания.

Скорость воздуха:

(8.15)

Скорость продуктов сгорания:

Проходное сечение для продуктов сгорания принимаем из табл. 6.1 и добавляем зазор между трубчаткой рекуператора и кладкой канала 200мм.

(8.16)

Скорости близки к принятым.

Температура стенки трубы рекуператора:

На входе продуктов сгорания:

(8.17)

На выходе продуктов сгорания:

Температуры близки к принятым.

Температура стенки трубы рекуператора на входе продуктов сгорания с учетом излучения предрекуператорного пространства:

t’’_ст= t’_ст+100=603+100=703.

Выбираем материал для труб рекуператора на входе продуктов сгорания сталь 12Х17, с .

 

 

Расчет дымовой трубы

Исходные данные:

V_д.г.=29847,7м³/ч, ω_д.г.=2,4м/с, ∆р_тракт=303,6Па, Т_г1=791К, Т_в=293К.

Площадь сечения устья трубы:

F_у.тр.=V_д.г./ω_д.г.=29847,7/3600·2,4=3,45м²,                                                   (9.9)

Диаметр устья трубы:

.                                                                 (9.10)

Диаметр основания трубы находим из соотношения:

d₁=1,5·d₂=1,5·2,1=3,15м.                                                                   (9.11)

Скорость движения газов у основания трубы:

.                                                             (9.12)

Действительное разряжение трубы может быть на 20-40% больше потерь давления при движении дымовых газов, т.е. ∆р_дейст=1,5Σ∆р_пот.

∆р_дейст=1,5·303,6=455,4 Па.                                                               (9.13)

Для определения температуры газа в устье трубы ориентировочно принимаем высоту трубы Н’=80м. падение температуры при кирпичной стене принимаем равным 1,5К на 1м высоты трубы:

∆Т=1,5·80=120К.

Тогда температура газов в устье трубы равна:

Т_г2=791-120=671К.

Средняя температура газа:

_.                                                                                             (9.14)

Средний диаметр трубы:

.                                                                 (9.15)

Тогда .                                                        (9.16)

Средняя скорость движения дымовых газов в трубе:

.                                                                (9.17)

Коэффициент трения λ для кирпичных труб принимаем 0,05.

Расчетная высота трубы:

                                         (9.18)

Окончательно принимаем высоту дымовой трубы 66м.

 

 

Перечень ссылок

1. Е.И.Казанцев Промышленные печи. – М.: Металлургия, 1975 – 368с

2. Расчет нагревательных и термических печей: Справ.изд. под ред. Тымчака В.М. и Гусовского В.Л.: Металлургия, 1983.-485с.

3. Гусовский В.Л., Лившиц А.Е. Методика расчета нагревательных и термических печей: Учебно-справочое издание - М.: «Теплотехник», 2004.-400с.

4. Гусовский В.Л., Ладыгичев М.Г., Усачев А.Б. Современные нагревательные термические печи (конструкции и технические характеристики). Справочник / Под. ред. А.Б.Усачева.-М: «Теплотехник», 2007-656с.

5. Кривандин В.А., Егоров А.В. Тепловая работа и конструкции печей черной металлургии: Учебник для вузов – М.: Металлургия, 1989. 462 с.

6. Шаламов ю.н., Проектирование и эксплуатация высокотемпературных теплотехнологических агрегатов и систем (учебное пособие)., Мариуполь: ПГТУ, 2010г.

 

 

Реферат

Записка к курсовой работе содержит:   52 страницы, 3 рисунка.

Объект исследования: план отделения методических печей Рельсобалочный СТАН-900.

Цель работы: спроектировать план отделения методических печей СТАН-900 и выбрать необходимое основное и вспомогательное оборудование, рассчитать и скомпоновать печи в цехе.

В данной работе был выполнен расчет нагрева металла в методической четырехзонной печи; выбор и расчет горения топлива, режима нагрева и горелочных устройств; также рассчитан тепловой баланс печи, рекуператор, дымовой тракт и дымовая труба; спроектировано отделение методических печей в цехе.

 

МЕТОДИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ, НАГРЕВ, РЕКУПЕРАТОР, БЛЮМ, ТЕПЛОВОЙ БАЛЛАНС, ГОРЕЛКА, ФУТЕРОВКА, ДЫМОВОЙ ТРАКТ, ДЫМОВАЯ ТРУБА.

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение                                                                                                                 4

1. Проектирование теплового агрегата                                                      5

2. Выбор режима нагрева металла                                                             7

3. Расчет горения топлива                                                                           9

4. Расчет параметров внешнего теплообмена                                          14

5. Расчет нагрева металла                                                                          19

6. Тепловой баланс